保險(xiǎn)粉2#“四合一”釜爆炸失效分析

■ 沈孝文

保險(xiǎn)粉2#“四合一”釜爆炸失效分析

■ 沈孝文

本文就保險(xiǎn)粉“四合一”釜物料性質(zhì)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)、使用檢驗(yàn)和爆炸失效原因等方面分別進(jìn)行闡述，并提出相關(guān)建議和控制要求。

強(qiáng)氧化性、酸性物質(zhì)、分解燃燒、爆炸失效、焊接接頭熔合線、裂紋。

一、簡(jiǎn)述

保險(xiǎn)粉具有強(qiáng)還原性和強(qiáng)氧化性，對(duì)光敏感，250℃時(shí)能自燃。加熱或接觸明火能燃燒，暴露在空氣中會(huì)被氧化而變質(zhì)。遇水、酸類或與有機(jī)物、氧化劑接觸，都可放出大量熱而引起劇烈燃燒，并放出有毒和易燃的二氧化硫，易分解，性質(zhì)很不穩(wěn)定。“四合一”釜內(nèi)保險(xiǎn)粉濕料在前期合成工序結(jié)晶不好、甲醇洗滌不到位、真空干燥時(shí)接觸酸性物料、O2、適量水等介質(zhì)時(shí)易分解，發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，短時(shí)壓力驟升，國(guó)內(nèi)曾出現(xiàn)多起四合一”釜爆炸失效事故。

2011年8月30日中午，某廠一臺(tái)“四合一”釜在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生爆炸，造成較大財(cái)產(chǎn)損失和人員損傷。該釜為2#“四合一”釜，2001年12月由南京某公司制造，內(nèi)罐筒體/封頭材質(zhì)：1Cr18Ni9Ti/0Cr18Ni9Ti；夾套/盤(pán)管材質(zhì)：321/0Cr18Ni9Ti；內(nèi)罐/夾套（盤(pán)管）設(shè)計(jì)壓力：0.63/0.32（0.32）MPa，對(duì)應(yīng)操作壓力：0.45/0.3(0.3) MPa；設(shè)計(jì)溫度95/95(95)℃，介質(zhì)為：保險(xiǎn)粉，甲醇、SO2、甲酸納、亞硫酸鈉、氮?dú)?冷、熱水(冷、熱水)。2002年3月投用，2003年11月22日因操作原因發(fā)生爆燃，2004年元月檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)主殼體和盤(pán)管有影響安全使用的缺陷，并對(duì)孔板、盤(pán)管支架、盤(pán)管、主法蘭及端蓋、橢圓形封頭側(cè)孔板、支撐筋板、壓板等進(jìn)行修復(fù)和更換，修復(fù)后對(duì)該釜復(fù)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。2006年12月、2008年7月、2011年5月定檢，未發(fā)現(xiàn)影響安全使用的缺陷。

二、8.30爆炸后復(fù)查情況

9月1日上午對(duì)爆炸后的2#釜進(jìn)行入罐檢查，發(fā)現(xiàn)：

1.內(nèi)罐錐形封頭側(cè)4個(gè)盤(pán)管主支架斷裂下沉30～280mm，下沉280mm的支架正對(duì)爆破片出口；橢圓形封頭側(cè)內(nèi)筒與盤(pán)管支架焊接部位未分離，此部位4個(gè)固定盤(pán)管的立板與對(duì)應(yīng)支架側(cè)板連接焊縫全部斷裂，離位12～16mm，支架側(cè)板變形；部分盤(pán)管卡箍連接螺栓離位、螺母脫落，少數(shù)卡箍爆炸前未安裝；爆炸反沖力撕開(kāi)錐形封頭側(cè)4個(gè)主支架固定焊縫，使支架和主體盤(pán)管沖向橢圓形封頭側(cè)，震裂橢圓形封頭側(cè)支架側(cè)板與盤(pán)管立板的連接角焊縫，受支架側(cè)板限制而停止（支架側(cè)板受沖擊向下彎曲變形）。因錐形封頭側(cè)4個(gè)主支架受沖擊力和撕裂時(shí)間不同，下沉移位也不一樣，盤(pán)管下沖同時(shí)發(fā)生扭曲和變形，盤(pán)管進(jìn)出水4個(gè)短節(jié)（大小頭處）均受不同沖擊，內(nèi)盤(pán)管因受沖擊力大，其與內(nèi)罐體焊接的大小頭部位受力更大。

2.內(nèi)盤(pán)管插入式焊接的出水管，在Φ89/ Φ57mm管口變徑部位小端的搭接焊縫熔合線附近，有一長(zhǎng)90mm的環(huán)向裂紋，開(kāi)裂部位與撕脫的最大下沉盤(pán)管支架對(duì)應(yīng)，裂紋形成方向與爆炸反沖力對(duì)應(yīng)，為撕開(kāi)型新裂紋，復(fù)查時(shí)裂口大量噴水。結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。

3.出料口Dn500mm大法蘭的20個(gè)M24連接螺栓、Dn200mm短節(jié)法蘭的8個(gè)M20連接螺栓全部拉斷，按150℃計(jì)算，爆炸瞬間能量折合壓力應(yīng)不低于10MPa。

4. 橢圓型封頭側(cè)內(nèi)筒體圓度25mm，錐型封頭側(cè)筒體圓度15mm，內(nèi)罐輕度鼓脹。

5. 孔板和部分內(nèi)伸式接管變形，西側(cè)主軸內(nèi)套管爆炸沖出。

三、Φ5 7 mm內(nèi)盤(pán)管出水口（大小頭）搭接焊縫熔合線部位裂紋成因分析

1.Φ89/Φ57mm變徑段冷熱水管為奧氏體不銹鋼，塑性和韌性好，此處屬加強(qiáng)部位，強(qiáng)度高，正常工作狀態(tài)下該部位應(yīng)力水平低?，F(xiàn)有“四合一”釜經(jīng)多次定檢和日常試漏檢查，未發(fā)現(xiàn)此部位滲水。從半月前的例行檢查和上一釜物料干燥情況看均無(wú)問(wèn)題。假設(shè)本次干燥時(shí)（離上一釜料干燥僅數(shù)小時(shí)）該部位角焊縫內(nèi)部有焊接氣孔、夾渣等缺陷，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中因物料磨蝕或此部位因震動(dòng)等生成微小裂紋，可能會(huì)產(chǎn)生微量漏水，但不至于發(fā)生爆炸。因?yàn)榱芽诓课粸榈湫偷乃苄詳嗫?，該部位有裂紋其擴(kuò)展也是緩慢的，不可能出現(xiàn)劇烈化學(xué)反應(yīng)的漏水量，除非有強(qiáng)力沖擊使其斷裂或者管材內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋并受到較大沖擊力的情況下才可能出現(xiàn)。

2.“四合一”釜內(nèi)壁、盤(pán)管外表面和內(nèi)罐附件多年未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。夾套和盤(pán)管冷熱水中的氯離子超過(guò)25ppm對(duì)奧氏體不銹鋼有應(yīng)力腐蝕傾向，腐蝕部位只會(huì)在夾套腔和盤(pán)管內(nèi)壁，品保部近期對(duì)冷熱水中氯離子含量進(jìn)行分析，指標(biāo)合格。即使在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中氯離子有短時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象，對(duì)左右中心軸凸緣附近的局部高應(yīng)力區(qū)有較大影響，對(duì)出水管大小頭部位的低應(yīng)力區(qū)影響?。ㄈ绱瞬课划a(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，材料必然變脆，爆炸沖擊力足以使其整圈斷裂，裂紋根部也會(huì)有腐蝕產(chǎn)物），故此部位產(chǎn)生氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋的可能性可以排除。

3.出水管大小頭部位沖擊力來(lái)源

a)盤(pán)管支架部分脫落，物料翻轉(zhuǎn)撞擊使盤(pán)管失去平衡并扭轉(zhuǎn)，撞擊力和扭矩轉(zhuǎn)移至大小頭部位，此時(shí)沖擊力較大有可能使大小頭部位開(kāi)裂漏水，但在操作時(shí)會(huì)有異常響聲，可判斷并及時(shí)處置。

b)盤(pán)管支架完好，固定盤(pán)管的卡箍螺母松動(dòng)、脫落將會(huì)造成盤(pán)管在釜轉(zhuǎn)動(dòng)和在物料撞擊下顫動(dòng)移位，力道轉(zhuǎn)移至出水口大小頭部位，但此交變載荷較小，需很長(zhǎng)時(shí)間才可能使其開(kāi)裂。5～7號(hào)“四合一”釜定檢時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)個(gè)別支架斷裂、卡箍螺母脫落，未引起管口開(kāi)裂滲漏。

c)原出水口大小頭部位完好，爆破片爆炸后45度方向反沖力使對(duì)面盤(pán)管和支架受到巨大沖擊，造成錐形封頭側(cè)盤(pán)管支架與錐封連接角焊縫撕裂下沖，隨后帶動(dòng)其他三個(gè)主支架依次撕開(kāi)，使整體盤(pán)管下沖同時(shí)向爆破片反沖力方向的筒壁移動(dòng)，盤(pán)管整體下沖同時(shí)伴隨順時(shí)針位移。3～4秒后人孔端蓋爆開(kāi)沖出（現(xiàn)場(chǎng)兩次爆炸聲，第一次為爆破片爆破，能量來(lái)不及釋放，第二次為人孔端蓋爆開(kāi)聲，其反沖力大部擊中孔板，邊緣擊中內(nèi)盤(pán)管和外盤(pán)管，外盤(pán)管因靠近筒壁影響較?。瑑晒煞礇_力作用在盤(pán)管及其支架上，震裂下部橢圓形封頭側(cè)支架側(cè)板與盤(pán)管立板的連接角焊縫，支架側(cè)板受沖擊向下彎曲變形。內(nèi)盤(pán)管出水口大小頭部位因受45度方向的強(qiáng)烈沖擊，在其焊縫薄弱部位（Φ57管口搭接角焊縫熔合線處）撕裂，裂口處是彎曲部位的拉伸面，受變形后未斷裂的下支架側(cè)板限制，該管口未整體斷開(kāi)。外盤(pán)管進(jìn)、出水大小頭部位因受力較小未出現(xiàn)裂紋，內(nèi)盤(pán)管進(jìn)水口大小頭部位因受拉應(yīng)力和此部位柔性相對(duì)較好未撕裂。內(nèi)盤(pán)管出水管口撕裂的主要原因是由爆破片爆炸后反沖力引起的。

d) c和b組合，爆炸使其迅速開(kāi)裂擴(kuò)展，裂紋主要是爆炸引起的。

綜上所述：c)情況應(yīng)是本次內(nèi)盤(pán)管出水管口開(kāi)裂漏水的主要原因。爆炸后相關(guān)部門(mén)對(duì)該釜DCS記錄（溫度——壓力——時(shí)間的適時(shí)曲線）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該釜溫度壓力超出正?？刂茀?shù)不到1分鐘就發(fā)生爆炸，爆炸前即使有微量滲水不可能如此短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生物料大范圍劇烈分解反應(yīng)。因此，該設(shè)備事故的主因是工藝控制不當(dāng)或操作原因引起的化學(xué)反應(yīng)爆炸。

四、預(yù)防措施

1.加強(qiáng)工藝管理和工藝指標(biāo)檢查，加強(qiáng)“四合一釜”操作人員技能和責(zé)任意識(shí)培訓(xùn)，是預(yù)防事故發(fā)生的重要手段。

2.為杜絕四合一釜在干燥過(guò)程中系統(tǒng)物料、母液、真空等的互串，防止物料反應(yīng)分解：1）建立物料進(jìn)出的單釜循環(huán)系統(tǒng)，隔絕與其他同類釜共用物料管線和真空管線；2）加強(qiáng)各類控制閥門(mén)的管理，防止閥門(mén)內(nèi)漏和關(guān)閉不到位，確保開(kāi)閉自如，關(guān)閉不漏，開(kāi)閉程度和狀態(tài)明了可控。

3.建立可記錄的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖裝置，遠(yuǎn)程控制室應(yīng)能適時(shí)記錄壓力、溫度、時(shí)間和其他關(guān)鍵操作參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置緊急定向停車(chē)按鈕。

4.確?！八暮弦弧备踩\(yùn)行的前提之一是內(nèi)罐、盤(pán)管不漏水，因此，需完善“四合一”釜運(yùn)行管理制度，加強(qiáng)使用過(guò)程的日常檢查和維修保養(yǎng)。每月對(duì)內(nèi)外殼體及盤(pán)管的冷熱水交替試漏試驗(yàn)不少于一次，嚴(yán)格控制冷熱水中氯離子含量≤25ppm，盤(pán)管支架/卡箍/螺栓及支撐等附件必須齊全完好，夾套外凸緣高應(yīng)力區(qū)的角焊縫部位如發(fā)生泄漏，應(yīng)及時(shí)規(guī)范修理。

5.加強(qiáng)壓力容器安全管理，嚴(yán)格執(zhí)行定期檢驗(yàn)制度，加強(qiáng)安全附件管理并定期校驗(yàn)。

6.建立和完善“四合一釜”應(yīng)急救援預(yù)案，定期演練、講評(píng)并記錄。

1、TSG21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

2、GB/T30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》

3、四合一真空旋轉(zhuǎn)干燥器的開(kāi)發(fā)研制《化工裝備技術(shù)》第31卷第1期2010年

（作者單位：中鹽安徽紅四方股份有限公司）